紅外熱成像系統(tǒng)中高速掃描器的伺服控制設(shè)計

李凌杰，陳菲菲，易文軒

(華北光電技術(shù)研究所，北京100015)

1 引言

近年來掃描型紅外焦平面探測器技術(shù)的發(fā)展和器件的產(chǎn)品化及國產(chǎn)化進程引人注目，在熱像儀市場中占有不小的份額。目前的掃描型紅外焦平面熱成像系統(tǒng)大多采用焦平面探測器結(jié)合一維光機掃描的方式，掃描器是整個光機掃描中的核心組件。

以國外GSI公司的G120掃描器為例，該掃描器是通用型掃描器，體積大、功耗大、成本和維修維護費用高，并且由于是標準貨架產(chǎn)品，不利于熱成像系統(tǒng)的集成。而國產(chǎn)掃描器主要針對激光打標市場，同樣存在體積、功耗、環(huán)境適應性達不到要求，成本較高等一系列問題。為了降低成本，減小功耗、體積，提高產(chǎn)品本身功能、外型的可塑性，提高環(huán)境適應性，本文設(shè)計完成了采用雙閉環(huán)反饋的高速掃描控制伺服系統(tǒng)，并在較低功耗下達到了掃描頻率50 Hz、機械角度 ±10°、掃描效率85%的性能要求。

2 伺服控制原理

整個伺服控制系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

圖1 控制原理框圖

整個伺服控制系統(tǒng)共完成了四個閉環(huán)反饋，包括角度信號的反饋、AGC電流分量的反饋、電機電流信號反饋和電機速度信號反饋［1］。其中角度信號的反饋及AGC電流分量的反饋屬于功能性反饋，是完成閉環(huán)控制和電機內(nèi)部電路要求所必須的，而電機電流信號和電機速度信號的雙閉環(huán)控制引入有利于提高整個系統(tǒng)的性能。這種雙閉環(huán)控制配合經(jīng)典PID的控制方法在很大程度上保證了伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度和動態(tài)響應特性［2］。

2.1 角度位置信號檢測

由于從振鏡電機內(nèi)部的光電式位置傳感器返回的是微弱電流信號，因而需要經(jīng)過角度檢測模塊電路做信號調(diào)理，將其轉(zhuǎn)換為真實的角度位置信號。同時將角度位置信號一分為二，一路與輸入信號進行差分放大并將結(jié)果做為PID控制模塊的輸入;另一路則經(jīng)過AGC控制模塊變?yōu)殡娏餍盘柗答伝卣耒R電機，與光電式位置傳感器輸出的微弱電流信號形成一個小的閉環(huán)。

2.2 信號調(diào)理電路

對誤差信號采用PID控制方法，即由比例放大、積分和微分三部分構(gòu)成。比例放大部分直接作用于誤差信號，將其放大或縮小后送入后端，直接對電機的偏差大小產(chǎn)生作用;積分部分則對過去一段時間內(nèi)的整體全局性偏差做出反應;微分部分對突然出現(xiàn)的瞬態(tài)快速錯誤做出快速響應。實際調(diào)試時給伺服控制系統(tǒng)加入階躍信號或周期較長的方波信號，根據(jù)反饋波形的變化確定PID三部分的參數(shù)，及在整個控制信號中各自所占比例的大小，排除飽和失真等原因引起的振蕩，確保系統(tǒng)平穩(wěn)快速運行。對于整個控制系統(tǒng)而言，P和D的影響較I要更為迅速明顯［3］。

雙閉環(huán)控制的來源是對實際流過電機的電流進行采樣后得來的，分為轉(zhuǎn)速反饋和電流環(huán)反饋兩部分［4］。

轉(zhuǎn)速微分反饋校正電路。在電機中由于電機電流與電機轉(zhuǎn)軸的加速度成正比，在控制中首先要對實際流過電機的電流進行采樣，然后用積分電路對電機電流的采樣信號進行運算，從而得到電機的速度信號，在經(jīng)過一定的轉(zhuǎn)換就得到了表征電機轉(zhuǎn)動速度微分量的信號，將其反饋至增益放大模塊的輸入端，做為系統(tǒng)的高頻阻尼源;同時由PID控制模塊中的誤差微分電路為系統(tǒng)提供低頻阻尼源［5］。調(diào)節(jié)高、低頻阻尼源使伺服控制系統(tǒng)工作于臨界阻尼狀態(tài)，進而獲得良好的穩(wěn)態(tài)及動態(tài)性能。其次由于轉(zhuǎn)速微分反饋校正電路的帶寬正比與系統(tǒng)的響應速度，帶寬約大響應速度越快，調(diào)節(jié)這部分電路的帶寬就可以相應地改善系統(tǒng)的響應速度。

電流環(huán)反饋校正電路。將流過電機的電流采樣信號經(jīng)過一個近似微分電路后，反饋至功率放大模塊電路的輸入端，由其給系統(tǒng)提供反映電機電流的變化趨勢，并使反饋電流超前一定的相位，以補償電機線圈電感對電流的滯后作用。保證控制信號對功率放大器輸出電流的線性控制。

2.3 陷波濾波電路

濾波模塊電路是為了在必要的時候削弱由電機轉(zhuǎn)子和所裝載鏡片引起的扭轉(zhuǎn)共振影響，提高整個系統(tǒng)的響應速度。掃描器振鏡系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)共振頻率可以理解為一種電機轉(zhuǎn)子的扭曲、翹曲，當整個系統(tǒng)工作在足夠大的帶寬或足夠快的速度時，這種扭曲將使伺服系統(tǒng)處于不穩(wěn)定的工作狀態(tài)，甚至振蕩，這就是需要采用濾波模塊電路的原因，也是該部分電路所要完成的功能。

2.4 功率放大電路

功率放大模塊電路圖如圖2所示，設(shè)計中使用了國家半導體公司的高性能功率放大器LM3886TF，采用負反饋、單端驅(qū)動電機的方式，功放的輸出端接到電機正極，電機負極直接接地［6］。在功放輸出端和電機正極之間串連一個5 A的快速熔斷保險絲，防止異常情況下電流過大損壞電機。

圖2 功率放大模塊電路

3 掃描器性能測試與比較

3.1 傳統(tǒng)的大小信號性能測試

利用幅值不同的50 Hz方波信號做為輸入信號，主要測試掃描器的響應速度及準確度和角度較大時的SOF(安全工作區(qū)域)。

3.1.1 小信號測試

系統(tǒng)引入頻率50 Hz，峰峰值1 V，以0 V為中心的方波信號。調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)中的P、I、D、帶寬及高頻阻尼源電位器，使系統(tǒng)處于臨界阻尼狀態(tài)，如圖3所示。

圖3 小信號測試

圖3中ch3和ch1分別是輸入和輸出信號，示波器顯示兩路信號Scale均為500 mv/div，時間軸為4 ms/div。從波形上觀察，響應時間約為1.6 ms，波形的上升沿、下降沿平滑，沒有超調(diào)現(xiàn)象，系統(tǒng)處于臨界阻尼狀態(tài)，達到小信號設(shè)計要求。

3.1.2 大信號測試

系統(tǒng)引入頻率50 Hz，峰峰值10 V，以0 V為中心的方波信號。調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)中的P、I、D、帶寬及高頻阻尼源電位器，使系統(tǒng)處于臨界阻尼狀態(tài)，如圖4。圖4中ch3和ch1分別是輸入和輸出信號，示波器顯示兩路信號 Scale均為5 v/div，時間軸為4 ms/div。從波形上觀察，響應時間約為1.6 ms，波形的上升沿、下降沿平滑，沒有超調(diào)現(xiàn)象，系統(tǒng)處于臨界阻尼狀態(tài)，達到大信號設(shè)計要求。

圖4 大信號測試

3.2 同類產(chǎn)品比較測試

在比較測試中，比較對象選用目前幀頻為50 Hz的熱像儀中普遍用到的GSI公司G 120掃描器。將實際熱像儀應用的鋸齒波信號輸入到 GSI公司的G 120掃描器和自研的掃描器中，主要從響應時間、線性度、功耗等方面比較。輸入信號為50 Hz的鋸齒波，由于兩個掃描器的輸入輸出增益比例不同，故G 120輸入波形的峰峰值為3 V，自研掃描器輸入波形的峰峰值為20 V，但兩個掃描器實際擺動機械角度相同，均為±10°。圖5、圖6中橫軸方向均為4 ms/div。對比兩幅波形圖可以發(fā)現(xiàn)，兩個掃描器在線性度方面都很不錯，但是圖6中回程時間明顯為一格即4 ms，而圖5中的回程時間僅為2.6 ms。參數(shù)對比如表1所示。

圖5 自研掃描器

圖6 G120掃描器

表1 參數(shù)對比

圖7為使用了自研掃描器的實際紅外圖像，圖像穩(wěn)定，整個畫面線性度良好。圖8是為了與圖7做對比，仔細觀察可以發(fā)現(xiàn)圖8右側(cè)的電烙鐵處有明顯鋸齒，其原因就是掃描器在該處的掃描線性不好所致，因而對于成像質(zhì)量來說掃描線性是非常重要的。

圖7 自研掃描器實際掃描成像

圖8 線性較差圖像

具體控制電路及電機體積大小的比較如圖9所示。自研的掃描器在這兩方面均優(yōu)于G120掃描器，而實際成本僅為G120掃描器的1/4。

圖9 實物大小比較

3 總結(jié)

綜上所述，通過掃描器自身性能的縱向比較即大小信號測試，以及與同類產(chǎn)品在各方面的橫向比較，證明采用了雙閉環(huán)反饋結(jié)合PID控制模式和動磁式光電振鏡電機的自研掃描器各項指標完全滿足設(shè)計要求。在掃描型熱成像領(lǐng)域，做為一款高速、大角度掃描的自研掃描器，在降低成本，減小功耗、體積，提高產(chǎn)品本身功能、外型的可塑性，提高環(huán)境適應性等方面填補了空白。

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